سوف نقوم بشرح اهم الاختلافات الأساسية بين عوائل ال TTL و CMOS من الجهود التي تستحملها Voltage Ranges والتأخير الزمني Propagation Delay واستهلاك الطاقة Power Consumption والتوافق(Compatibility) بين عائلتي TTL and CMOS
البوابات المنطقية لعائلة TTL
 |
| البوابات المنطقية لعائلة TTL |
يكون الدخل input في حالة Low (يساوي 0) لهذه البوابات إذا كان الدخل من 0 فولت حتى 0.8 فولت، يكون الدخل input في حالة High (يساوي 1) إذا كان الدخل من 2 فولت حتى 5 فولت، والمنطقة الواقعة بينهما تعتبرها غير معرفة، ويكون الخرج لهذه البوابات في حالة Low (يساوي 0) من 0 فولت حتى 0.5 فولت، بينما في حالة High (يساوي 1) يكون الخرج من 2.7 فولت حتى 5 فولت.
نلاحظ مما سبق ان مجال قيم الخرج يكون أصغر من قيم الدخل وهذا ما يسمح لك توصيل أكثر من بوابة في حدود قيم الدخل والخرج.
noise margin وهو المجال الذي نكون فيه بأمان إذا أثرت على الدخل أو الخرج أي تشويش (noise).
high-level noise margin إذا أثرت أي تشويش (noise) في منطقة High نكون في امان من 2 فولت وحتي 2.7 فولت ونظل في منطقة High.
low-level noise margin إذا أثرت أي تشويش (noise) في منطقة Low نكون في امان من 0.5 فولت وحتي 0.8 فولت ونظل في منطقة Low.
البوابات المنطقية لعائلة CMOS
 |
| البوابات المنطقية لعائلة CMOS |
يكون الدخل input في حالة Low (يساوي 0) لهذه البوابات إذا كان الدخل من 0 فولت حتى 1.5 فولت، يكون الدخل input في حالة High (يساوي 1) إذا كان الدخل من 3.5 فولت حتى 5 فولت، ويكون الخرج لهذه البوابات في حالة Low (يساوي 0) من 0 فولت حتى 0.5 فولت، بينما في حالة High (يساوي 1) يكون الخرج من 4.95 فولت حتى 5 فولت.
عائلة CMOS تعمل حتى 15 فولت
من المعروف أن عائلة CMOS من الممكن أن تعمل ب 5 فولت و10 فولت حتى 15
فولت، لذلك إذا كان الدخل يساوي 15 فولت وليس 5 فولت، يكون الدخل input في حالة Low
(يساوي 0) لهذه البوابات إذا كان الدخل من 0 فولت حتى 4 فولت، يكون الدخل input في
حالة High (يساوي 1) إذا كان الدخل من 11 فولت حتى 15 فولتن ويكون الخرج لهذه
البوابات في حالة Low (يساوي 0) من 0 فولت حتى 0.5 فولت، بينما في حالة High
(يساوي 1) يكون الخرج من 14.95 فولت حتى 15 فولت.
يمكننا الربط بين عائلتي TTL and CMOS ولكن بشروط معينة.
لتوضيح هذه الشروط نفترض المثال التالي:
لو عندنا بوابة NAND من عائلة TTL وبوابة Not gate من عائلة CMOS متصلان معا كما في الشكل السابق؛في حالة Low للبوابة NAND يكون الخرج من 0 فولت إلى 0.5 فولت وهو مايسمح به دخل Not gate من عائلة CMOS حيث يكون من 0 فولت حتى 1.5 فولت حيث يكون في حالة Low وبذلك يكون في الحدود التى تسمح بها هذه البوابة دون مشاكل.
أما في حالة High للبوابة NAND يكون الخرج من 2.7 فولت إلى 5 فولت ولكن بوابة Not gate من عائلة CMOS لا تعتبره High حيث أن معدل ال High بالنسبة لها من 3.5 فولت حتى 5 فولت ونجدها أحيانا تعتبره Low وأحيانا أخرى تعتبرة في المنطقة غير المعرفة.
لحل المشكل السابقة نربط البوابة NAND بمقاومة يطلق عليها (Pull up resistor) تساعد هذه المقاومة على رفع الجهد قليلا حتى يصبح قريب ل 5 فولت ومن ثم يصل هذا الخرج إلى البوابة Not gate من عائلة CMOS وتعتبره هذه البوابة حينها دخل High.
في
حالة Low للبوابة NAND يكون الخرج من 0 فولت إلى 0.5 فولت وهو مايسمح به دخل Not
gate من عائلة CMOS حيث يكون من 0 فولت حتى 3 فولت حيث يكون في حالة Low وبذلك
يكون في الحدود التى تسمح بها هذه البوابة دون مشاكل.
أما في حالة High للبوابة NAND يكون الخرج من 2.7 فولت إلى 5 فولت ولكن بوابة Not gate من عائلة CMOS لا تعتبره High حيث أن معدل ال High بالنسبة لها من 7 فولت حتى 10 فولت فماذا نفعل؟
لا يمكننا إستخدام Pull up resistor لأننا سوف نصبح في حيرة أين نصلها؟ فلو أوصلنها ب 5 فولت يكون بلا فائدة لأنها سوف ترفع الجهد ليكون قريب من 5 فولت وهو بذلك سوف يكون بعيد عن 7 فولت وهو الحد الأدنى لدخل البوابة Not gate من عائلة CMOS؛ولو أوصلنها ب 10 فولت من الممكن أن تتلف البوابة NAND من عائلة TTL التي تقبل حتى 5 فولت.
يكون الحل للمشكلة السابقة في إستخدام دوائر ذات خرج Open Collector لعائلة TTL وهي عبارة عن بوابة يكون خرجها 0 ولكن لا يكون 1 وحتي يمكنك الحصول على خرج يساوي 1 لابد من توصيل مقاومة خارجية موصولة بباور سبلاي خارجي ولذلك يمكن الان توصيل Pull up resistor ب 10 فولت التى ترفع الجهد عندما يكون الخرج لا يساوي صفر إلى جهد قريب جدا من 10 فولت وبالتالي يكون الدخل للبوابة Not gate من عائلة CMOS الان High.
عندما تكون بوابة CMOS في حالة Low لا توجد مشكلة ولكن عندما تكون في حالة High سوف يكون الخرج لها 10 فولت وهو ما يؤدي إلى تلف بوابة TTL ولذلك نقوم بعمل دائرة يطلق عليها Level Shifter وهى عبارة عن مقاومة وترانزستور و Pull up resistor وهذه الدائرة تعمل علة تحويل الجهد من 10 فولت إلى 5 فولت وإيصالها إلى بوابة TTL التي تقبل هذا الدخل وتعتبره في حالة High أيضا.
الخلاصة
إن CMOS وTTL هما عائلتين مختلفتان من المنطق الرقمي مع وجود اختلافات في التكنولوجيا واستهلاك الطاقة ومستويات الجهد ومناعة الضوضاء وإمكانيات التوزيع والسرعة والتوافق.
يعتمد قرار الاختيار بين CMOS وTTL على المتطلبات المحددة للتطبيق، مثل استهلاك الطاقة، والحصانة من الضوضاء، والسرعة، ومتطلبات الواجهة للحصول على معلومات دقيقة ولضمان التصميم الأمثل والتوافق في الدوائر الإلكترونية.
المراجع
An Overview of TTL and CMOS ICs and How to Choose Between Them
Difference Between CMOS and TTL
الربط بين عائلتي TTL and CMOS
 |
| الربط بين عائلتي TTL and CMOS |
يمكننا الربط بين عائلتي TTL and CMOS ولكن بشروط معينة.
لتوضيح هذه الشروط نفترض المثال التالي:
لو عندنا بوابة NAND من عائلة TTL وبوابة Not gate من عائلة CMOS متصلان معا كما في الشكل السابق؛في حالة Low للبوابة NAND يكون الخرج من 0 فولت إلى 0.5 فولت وهو مايسمح به دخل Not gate من عائلة CMOS حيث يكون من 0 فولت حتى 1.5 فولت حيث يكون في حالة Low وبذلك يكون في الحدود التى تسمح بها هذه البوابة دون مشاكل.
أما في حالة High للبوابة NAND يكون الخرج من 2.7 فولت إلى 5 فولت ولكن بوابة Not gate من عائلة CMOS لا تعتبره High حيث أن معدل ال High بالنسبة لها من 3.5 فولت حتى 5 فولت ونجدها أحيانا تعتبره Low وأحيانا أخرى تعتبرة في المنطقة غير المعرفة.
جعل عائلتي TTL and CMOS في حالة High معا وربطهما ببعض
 |
| جعل عائلتي TTL and CMOS في حالة High معا وربطهما ببعض |
لحل المشكل السابقة نربط البوابة NAND بمقاومة يطلق عليها (Pull up resistor) تساعد هذه المقاومة على رفع الجهد قليلا حتى يصبح قريب ل 5 فولت ومن ثم يصل هذا الخرج إلى البوابة Not gate من عائلة CMOS وتعتبره هذه البوابة حينها دخل High.
الربط بين عائلة TTL تعمل على 5 فولت وعائلة CMOS تعمل على 10 فولت
 |
| الربط بين عائلة TTL تعمل على 5 فولت وعائلة CMOS تعمل على 10 فولت |
أما في حالة High للبوابة NAND يكون الخرج من 2.7 فولت إلى 5 فولت ولكن بوابة Not gate من عائلة CMOS لا تعتبره High حيث أن معدل ال High بالنسبة لها من 7 فولت حتى 10 فولت فماذا نفعل؟
لا يمكننا إستخدام Pull up resistor لأننا سوف نصبح في حيرة أين نصلها؟ فلو أوصلنها ب 5 فولت يكون بلا فائدة لأنها سوف ترفع الجهد ليكون قريب من 5 فولت وهو بذلك سوف يكون بعيد عن 7 فولت وهو الحد الأدنى لدخل البوابة Not gate من عائلة CMOS؛ولو أوصلنها ب 10 فولت من الممكن أن تتلف البوابة NAND من عائلة TTL التي تقبل حتى 5 فولت.
يكون الحل للمشكلة السابقة في إستخدام دوائر ذات خرج Open Collector لعائلة TTL وهي عبارة عن بوابة يكون خرجها 0 ولكن لا يكون 1 وحتي يمكنك الحصول على خرج يساوي 1 لابد من توصيل مقاومة خارجية موصولة بباور سبلاي خارجي ولذلك يمكن الان توصيل Pull up resistor ب 10 فولت التى ترفع الجهد عندما يكون الخرج لا يساوي صفر إلى جهد قريب جدا من 10 فولت وبالتالي يكون الدخل للبوابة Not gate من عائلة CMOS الان High.
الربط بين عائلتي TTL and CMOS عندما يكون CMOS يسبق TTL
 |
| الربط بين عائلتي TTL and CMOS عندما يكون CMOS يسبق TTL |
عندما تكون بوابة CMOS في حالة Low لا توجد مشكلة ولكن عندما تكون في حالة High سوف يكون الخرج لها 10 فولت وهو ما يؤدي إلى تلف بوابة TTL ولذلك نقوم بعمل دائرة يطلق عليها Level Shifter وهى عبارة عن مقاومة وترانزستور و Pull up resistor وهذه الدائرة تعمل علة تحويل الجهد من 10 فولت إلى 5 فولت وإيصالها إلى بوابة TTL التي تقبل هذا الدخل وتعتبره في حالة High أيضا.
الفرق بين عائلة TTL وعائلة CMOS
- مكونات CMOS بشكل عام أكثر تكلفة مقارنةً بمكونات TTL، ولكن على مستوى النظام تعد شرائح CMOS أقل تكلفة لأنها أصغر حجمًا مقارنة برقائق TTL.
- هناك تأخير زمني في كليهما في TTL عادةً 10nS بينما CMOS بين 20 إلى 50 nS.
- يتمتع CMOS بأوقات صعود وهبوط أطول، وبالتالي تكون الإشارات الرقمية أبسط وأقل تكلفة مع شرائح CMOS.
- هناك فرق كبير في نطاق مستوى الجهد لكليهما. بالنسبة لـ TTL يكون من 4.75 فولت إلى 5.25 فولت بينما يتراوح بالنسبة لـ CMOS بين 0 إلى 1/3 VDD عند مستوى منخفض و2/3VDD إلى VDD عند المستويات العالية.
- تعد تقنية CMOS أكثر اقتصادا وتفضل أكثر مقارنة بمنطق TTL.
- المتطلبات الحالية لـ CMOS منخفضة وبالتالي فإن استهلاك الطاقة محدود ولذلك فمن الأسهل تصميم الدوائر بأفضل إدارة للطاقة.
- تعد مكونات الاضطرابات الكهرومغناطيسية CMOS أكثر حساسية مقارنة بمكونات TTL.
- يتمتع CMOS بميزة أخرى على TTL وهي أنه يسمح بضوضاء أقل أثناء الإرسال.
- عدد الأحمال القياسية التي يمكن توصيلها بمخرج البوابة في ظل التشغيل العادي وهو مخرج المروحة هو 10 لـ TTL بينما يبلغ 50 لـ CMOS.
- عدد المدخلات القياسية التي يمكن توصيلها بالبوابة هو المروحة، وهو ما يقرب من 12-14 بالنسبة لـ TTL وبالنسبة لـ CMOS فهو 10 فقط.
- تتمتع دوائر CMOS بحصانة أفضل من الضوضاء مقارنة بدارات TTL.
- البوابات الأساسية المستخدمة في بناء TTL هي بوابة NAND بينما يتم استخدام بوابتي NAND-NOR في دوائر CMOS.
- تستخدم TTL في التطبيقات علية السرعة مثل أنظمة الذاكرة ووحدات المعالجات المركزية بينما تستخدم CMOS في الأجهزة التي تحتاج إلى بطارية مثل الأجهزة المحمولة والدوائر المتكاملة عالية الكثافة.
الخلاصة
إن CMOS وTTL هما عائلتين مختلفتان من المنطق الرقمي مع وجود اختلافات في التكنولوجيا واستهلاك الطاقة ومستويات الجهد ومناعة الضوضاء وإمكانيات التوزيع والسرعة والتوافق.
يعتمد قرار الاختيار بين CMOS وTTL على المتطلبات المحددة للتطبيق، مثل استهلاك الطاقة، والحصانة من الضوضاء، والسرعة، ومتطلبات الواجهة للحصول على معلومات دقيقة ولضمان التصميم الأمثل والتوافق في الدوائر الإلكترونية.
المراجع
An Overview of TTL and CMOS ICs and How to Choose Between Them
Difference Between CMOS and TTL